Comme les circuits imprimés constituent l’épine dorsale des circuits électroniques, il est très important de s’assurer qu’ils sont en permanence opérationnels sur le plan mécanique. Les circuits imprimés assurent également des connexions appropriées entre les composants et les différentes parties du circuit, ce qui est essentiel dans diverses fonctions telles que l’envoi et la réception de données, le calcul de paramètres électriques et l’amplification de signaux électroniques.
Les fabricants de circuits imprimés assurent une qualité optimale lorsque les cartes sont produites en série. Cependant, il arrive que les circuits imprimés soient défaillants ou défectueux pour un certain nombre de raisons. Ces défauts entraînent divers problèmes et complications au niveau du fonctionnement du circuit électronique. En effet, ils compromettent les performances de plusieurs composants qui se trouvent sur le circuit.
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Il existe plusieurs types de problèmes ou de défauts qui peuvent avoir une incidence négative sur le résultat souhaité dans un circuit. En voici quelques-uns :
Défauts causés pendant la fabrication et le stockage
Comme les autres composants électriques, les circuits imprimés sont sensibles à différents facteurs environnementaux tels que la température, l’humidité et les substances polluantes. Pendant la fabrication et le stockage, les circuits imprimés présentent divers défauts, notamment :
Température : Les circuits imprimés sont sensibles à la température à laquelle ils sont soumis lors de leur stockage et pendant l’installation des composants. Dans des conditions extrêmes, les variations de température peuvent constituer un facteur potentiel de défaillance des composants ou des joints.
Il est essentiel de tenir compte des températures de fonctionnement maximales et minimales des circuits imprimés lors de la phase de conception. La dilatation et la contraction des circuits imprimés causées par les variations de température peuvent entraîner une défaillance prématurée des circuits imprimés.
Humidité : Pendant la fabrication et le stockage des circuits imprimés, l’humidité peut provoquer des courts-circuits et entraîner des défauts dans divers composants du circuit. L’air contient de l’humidité susceptible d’endommager les soudures et de provoquer de la corrosion.
Contaminants : Les contaminants créent des défauts pendant la fabrication et dans les lieux de stockage des circuits imprimés après le processus de fabrication. Les performances des circuits imprimés finissent par se dégrader lorsqu’ils sont exposés à des éléments tels que de la poussière, des insectes et des polluants.
Impact : Les impacts sur les circuits imprimés peuvent avoir un effet catastrophique pendant la fabrication, le stockage et le transport des cartes. Les circuits imprimés, s’ils tombent brutalement ou ne sont pas fabriqués de manière correcte, provoquent trop de vibrations. De ce fait, les circuits imprimés perdent leur souplesse, ce qui endommage les pistes des circuits imprimés.
Défauts de soudure
Le retraçage des pistes du circuit imprimé en raison d’un joint de soudure malencontreux provoque un défaut de soudure.
Ce défaut peut être minimisé en conception et lors du procédé de soudure.
Voici quelques-uns des défauts de soudure les plus courants :
Joints ouverts : Également appelés joints secs, les joints ouverts se produisent lorsque la soudure n’a pas de point de contact avec la pastille du circuit imprimé. Les joints ouverts sont généralement causés par un mouvement ou une flexion physique, une température de soudure incorrecte ou des vibrations dans le circuit imprimé pendant le transport.
Soudure excessive : Au cours du procédé de soudage, il arrive qu’une accumulation excessive de soudure se produise sur les composants en raison d’un retrait tardif du fer à souder. Le risque de formation de ponts de soudure s’en trouve accru et les connexions du circuit peuvent être endommagées.
Image 1 : Soudure excessive
Source : pcbonline
Déplacement des composants : Ce problème survient lorsque les composants placés sur le circuit imprimé ne sont pas alignés correctement lors du soudage. Le déplacement des composants peut entraîner des joints ouverts et des lignes de signaux croisées, ce qui peut conduire à une disparité dans le circuit électronique. Il existe plusieurs sources de déplacement des composants, notamment les dissipateurs thermiques, les variations de température des soudures, les erreurs de fabrication et les erreurs de conception.
Image 2 : Déplacement des composants
Source : blog.thedigisource.com
Toiles et éclaboussures Lorsque différents polluants présents dans l’atmosphère affectent la soudure d’un circuit imprimé, on parle « de toiles et d’éclaboussures ». Ces défauts peuvent créer des risques de court-circuit et également nuire à l’aspect visuel du circuit imprimé.
Points de contact relevés : Les points de contact qui sont déconnectés ou séparés de la surface du circuit imprimé sont qualifiés de points de contact relevés. Il en résulte des irrégularités dans la connexion du circuit qui, à leur tour, entraînent un dysfonctionnement de la carte de circuit imprimé. Ce problème se pose généralement dans les circuits imprimés à une seule face qui contiennent une couche mince de cuivre sans métallisation des trous traversants.
Image 3 : Points de contact relevés
Source : Bing
Globule de soudure : Ce phénomène est causé par de mauvaises conditions, comme le gazage du flux ou une turbulence excessive lors du reflux de la soudure. Compte tenu de l’absence de nettoyage dans le procédé, de nombreux globules de soudure sur le circuit imprimé peuvent créer un faux pont entre deux pistes adjacentes, entraînant un dysfonctionnement du circuit.
Image 4 : Globule de soudure
Source : Bing
Défauts des machines : Les fraiseuses à commande numérique sont utilisées pour tracer, couper et dessiner les contours de la carte au cours du processus de fabrication des circuits imprimés. Le déchargement du robot de la machine à commande numérique et les orifices du plateau hors de la plage de tolérance dans la direction horizontale et verticale rectifient les fraises de déchargement du plateau. Il en résulte une collision qui entraîne un affaissement des bords du circuit imprimé.
Lors de productions à très haut volume, les machines à commande numérique sont sujettes à des phénomènes de surchauffe. Il convient donc de s’assurer que les machines ne fonctionnent pas à plus de 150 °C pour éviter de dégrader la qualité des cartes, de provoquer des alignements erronés ou d’endommager les bords.
Image 5 : Défauts des machines
Source : cdntwrk
Défauts causés par les décharges électrostatiques
Les dommages causés par les décharges électrostatiques sur un circuit imprimé sont très difficiles à détecter. La décharge électrostatique provoque des courts-circuits multiples qui ramollissent la soudure. Ces courts-circuits peuvent être causés par des humains ou des machines et doivent être détectés avec soin lors du procédé de fabrication et d’assemblage. Les décharges électrostatiques sont l’une des principales causes de défaillance des circuits imprimés. Elles réduisent la résistance des composants aux brèves impulsions de haute tension.
Image 6 : Défauts électrostatiques
Source : www.engineerlive.com
Méthodes de détection des défauts sur les circuits imprimés
Lors de la fabrication des circuits imprimés, il est important d’effectuer des inspections à chaque étape. Elles permettent de repérer et de rectifier les défauts d’un circuit imprimé, notamment grâce aux méthodes suivantes :
Inspection visuelle : L’inspection visuelle est le type d’inspection le plus courant lors de l’assemblage des circuits imprimés. Les équipements spécifiques d’inspection visuelle peuvent être choisis en fonction des objectifs de l’inspection. Les joints de soudure par refusion sur un circuit imprimé sont généralement inspectés à l’aide d’un prisme qui permet d’identifier divers défauts de fabrication. Grâce à la spectroscopie à prisme, les rayons lumineux incidents peuvent être réfléchis sur le circuit imprimé ou les joints du circuit imprimé afin de comprendre les problèmes de conception et de contour du circuit imprimé.
Image 7 : Inspection visuelle
Source : Pcbelec
Image 8 : Spectroscopie à prisme
Source : Proto-Electronics
Inspection aux rayons X (AXI) : Après la production en série, divers défauts peuvent apparaître lors de l’inspection des composants, de la soudure, du mauvais alignement des composants, etc. Selon la technologie AXI, les rayons X sont dirigés sur les composants du circuit imprimé afin d’obtenir une image par absorption des rayons. L’inspection par rayons X permet d’identifier plusieurs défauts dans l’assemblage du câblage, les vides et les joints de soudure, l’emballage des semi-conducteurs, etc.
Image 9 : Inspection aux rayons X
Source : 5.imimg.com
Inspection optique automatisée (AOI) : Pendant l’inspection optique automatisée, les circuits imprimés sont analysés à l’aide d’une ou plusieurs caméras vidéo. La caméra enregistre des images de divers composants sous différents angles et positions. Ces images peuvent ensuite être analysées par des concepteurs ou des ingénieurs lors de l’assemblage du circuit imprimé, ce qui permet de détecter des défauts tels que des rayures, des taches, des marques et d’autres défauts dimensionnels. Cette méthode permet également d’identifier les composants désaxés ou incorrects. Les systèmes peuvent donc utiliser plusieurs AOI 3D pour détecter la hauteur et la largeur des circuits imprimés ainsi que les différents microcomposants utilisés sur ces derniers.
Image 10 : Système de caméra AOI
Source : pcbgogofile
Solutions permettant de corriger les défauts
Pour résoudre les problèmes liés à la soudure, les techniciens/ingénieurs doivent rétablir les joints déconnectés à l’aide d’outils de soudure. Les ingénieurs doivent être en mesure de vérifier si les soudures ou les composants sont déconnectés en s’assurant que les fissures sur le circuit imprimé sont minimes et que les composants placés ne sont pas détachés du circuit. Pour résoudre les problèmes de soudure sur un circuit imprimé, la solution standard consiste à ajouter un masque de soudure entre les points de contact. On s’assure ainsi de l’absence d’espace entre le pochoir et le circuit imprimé.
Les circuits imprimés sont créés à l’aide de divers matériaux et produits chimiques. Les acides tels que le chlorure ferrique [FeCl3], le persulfate d’ammonium [(NH4)2S2O8] et le persulfate de sodium [Na2S2O8] contribuent à créer des voies d’acheminement de l’électricité vers la carte pendant la fabrication. Ces acides peuvent parfois être piégés dans un angle, ce qui provoque des voies acides susceptibles de perturber la circulation du circuit. Les solutions de gravure pour circuits imprimés permettent d’éliminer le cuivre indésirable du circuit imprimé en ne laissant que le cuivre utile lors de la création des pistes du circuit imprimé. En recourant à la gravure photo-activée, la méthode des réserves photo-réactives permet de fabriquer des pièces métalliques de précision, ce qui minimise les pièges à acide.
La production et la transmission d’énergie électromagnétique sont à l’origine d’interférences électromagnétiques (EMI). Les EMI ont parfois un effet néfaste sur la compatibilité électromagnétique (EMC) du circuit imprimé. Ce problème résulte de défauts de conception. Il est possible d’y remédier en réduisant la surface de la masse du circuit imprimé. En réduisant la surface de contact du circuit, les concepteurs peuvent éliminer les problèmes de compatibilité électromagnétique. En outre, l’utilisation de méthodes avancées de production de circuits imprimés permet d’obtenir une production optimisée qui améliore la qualité et élimine divers défauts des circuits imprimés.
Au cours de la fabrication, il arrive que le circuit imprimé soit soumis à des températures élevées, ce qui entraîne des brûlures. Pour éviter que le circuit imprimé ne brûle, il est essentiel de s’assurer que les composants sont placés sur la carte avec un espacement adéquat pour assurer une bonne circulation de l’air et dégager les dissipateurs thermiques. Pour améliorer la dissipation de la chaleur, il convient de placer au centre du circuit imprimé les composants qui consomment beaucoup d’énergie, comme les processeurs et les microcontrôleurs. Ces dispositifs diffusent la chaleur sur la surface du circuit imprimé dans toutes les directions, ce qui permet de réduire la température de surface du circuit.
Au cours du processus de fabrication, les fuites de fluides chimiques risquent d’entraîner une corrosion précoce des cartes de circuits imprimés. Le nettoyage des cartes après la fabrication doit être effectué avec soin, car les petits résidus de corrosion sur la carte peuvent provoquer des courts-circuits.
Pour assurer une transmission fluide dans un circuit électronique, la constante diélectrique doit être la plus faible possible.
Si les matériaux de substrat utilisés dans le circuit imprimé sont conçus pour résister à une fréquence et une vitesse élevées, ils doivent présenter une faible hygroscopicité.
La taille du substrat du circuit imprimé doit être modifiée pour les raisons suivantes :
- La suppression des effets de cisaillement entraîne une réduction de la taille du substrat.
- La tension du substrat entraîne une modification de la base de la plaque du circuit imprimé.
- Dans le cas d’un circuit imprimé multicouche, le procédé de laminage peut entraîner des changements dimensionnels.
Le réglage de la précision du niveau de tolérance entre le robot de déchargement et le plateau de la machine à commande numérique garantit l’absence d’interférence entre les deux opérations simultanées.
Il est nécessaire de tester l’état de fonctionnement de la meule et les paramètres géométriques du processus afin de prévenir les défauts de la machine avant la production en série.
Il est très important de localiser et de reconnaître les défauts d’un circuit imprimé pendant la production. Les défauts des circuits imprimés, s’ils ne sont pas détectés à l’avance, peuvent avoir des conséquences graves et dangereuses à l’avenir, tant pour le circuit que pour l’utilisateur qui s’en sert. Ces défauts peuvent se présenter sous les formes suivantes :
- défauts de soudure ;
- défauts de fabrication et de stockage ;
- défauts des machines ;
- défauts causés par une décharge électrostatique, etc.
L’inspection des défauts suivants peut se faire par différentes méthodes. Les procédures standard d’inspection d’un circuit imprimé visant à détecter les défauts ou les dommages matériels sont réalisées au moyen d’une inspection aux rayons X et d’une inspection optique automatisée (AOI). Il est possible d’utiliser l’imagerie 3D afin de détecter la hauteur, la largeur et d’autres défauts dimensionnels du circuit imprimé.
20/04/2022
